(57)【要約】【課題】抵抗損失を低減し、光電変換によって作り出した電力の出力低下を抑えることができる光電変換素子Ａを提供する。【解決手段】第一の導電性基板１１とこの第一の導電性基板１１の一方の面に配設されている色素が担持された半導体層１２とから構成される半導体電極１と、この半導体電極１と対向するように半導体層１２側に配置され、第二の導電性基板２１で構成される対極２と、色素が担持された半導体層１２と対極２との間に配置された電解質層３と、この電解質層３を密封する封止部４と、導電性材料で形成され、第一の導電性基板１１および第二の導電性基板２１の少なくともいずれかに配設されて半導体電極１と対極２の少なくとも一方と電気的に接続接続されている集電体５とを備えており、第一の導電性基板１１と第二の導電性基板２１のうち少なくとも一方は透光性であり、かつ、集電体５は、色素が担持された半導体層１２および電解質層３と接触しないように封止部４の周囲を囲んで配設されていることとする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一の導電性基板とこの第一の導電性基板の一方の面に配設されている色素が担持された半導体層とから構成される半導体電極と、この半導体電極と対向するように半導体層側に配置され、第二の導電性基板で構成される対極と、色素が担持された半導体層と対極との間に配置された電解質層と、この電解質層を密封する封止部と、導電性材料で形成され、第一の導電性基板および第二の導電性基板の少なくともいずれかに配設されて半導体電極と対極の少なくとも一方と電気的に接続されている集電体とを備えており、第一の導電性基板と第二の導電性基板のうち少なくとも一方は透光性であり、かつ、集電体は、色素が担持された半導体層および電解質層と接触しないように封止部の周囲を囲んで配設されていることを特徴とする光電変換素子。
【請求項２】
第一の導電性基板とこの第一の導電性基板の一方の面に配設されている色素が担持された半導体層とから構成される半導体電極と、この半導体電極と対向するように半導体層側に配置され、第二の導電性基板で構成される対極と、色素が担持された半導体層と対極との間に配置された電解質層と、この電解質層を密封する封止部と、導電性材料で形成され、第一の導電性基板および第二の導電性基板の少なくともいずれかに配設されて半導体電極と対極の少なくとも一方と電気的に接続されている集電体とを備えており、第一の導電性基板と第二の導電性基板のうち少なくとも一方は透光性であり、かつ、集電体は、色素が担持された半導体層および電解質層と接触しないように封止部内に埋め込まれて配設されていることを特徴とする光電変換素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、色素増感型の光電変換素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、図４に示すような色素増感型の光電変換素子Ａが知られている。すなわち、一方の主面上に透明導電体層７が設けられた基板６の透明導電体層７の上に色素を担持した半導体層１２が設けられた半導体電極１と、他方の主面上に透明導電体層７が設けられた別の基板６の透明導電体層７の上にＰｔを堆積させて触媒能を付与した対極２と、双方の透明性導電体層７が向き合うように配置した状態において、半導体電極１と対極２との間に電解質層３を満たし、この電解質層３を封止部４で密封している。
【特許文献１】特開２０００−２４３４６５号公報
【特許文献２】特開２００２−３２４５９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、以上の光電変換素子Ａが作り出した電力を外部に取り出す場合、透明導電体層７を集電用電極として電力を取り出す必要があるが、この集電用電極の抵抗損失により太陽電池の出力が低下するという問題があった。
【０００４】
そこで、これまで、半導体層の内部もしくは表面の少なくとも一方に集電用電極を設けた光電変換素子（たとえば、特許文献１参照）や、太陽電池を直列または並列に組み立てて太陽電池モデュールを作製する際に、太陽電池間の間隔を最小化して電力損失を最小化するために、太陽電池における一対の対向する導電性基板において、それぞれの導電性基板が重ならない部分に導電性接着剤を設けた太陽電池（たとえば、特許文献２参照）が提案されている。これらの光電変換素子や太陽電池は、抵抗損失を低減し、電力の出力低下の抑制に効果はあるものの、依然としてその抑制効果の向上が望まれている。
【０００５】
そこで、本願発明は、以上の通りの背景から、抵抗損失を低減し、光電変換によって作り出した電力の出力低下を抑えることができる光電変換素子を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本願発明は、上記の課題を解決するものとして、第１には、第一の導電性基板とこの第一の導電性基板の一方の面に配設されている色素が担持された半導体層とから構成される半導体電極と、この半導体電極と対向するように半導体層側に配置され、第二の導電性基板で構成される対極と、色素が担持された半導体層と対極との間に配置された電解質層と、この電解質層を密封する封止部と、導電性材料で形成され、第一の導電性基板および第二の導電性基板の少なくともいずれかに配設されて半導体電極と対極の少なくとも一方と電気的に接続されている集電体とを備えており、第一の導電性基板と第二の導電性基板のうち少なくとも一方は透光性であり、かつ、集電体は、色素が担持された半導体層および電解質層と接触しないように封止部の周囲を囲んで配設されていることを特徴とする。
【０００７】
第２には、第一の導電性基板とこの第一の導電性基板の一方の面に配設されている色素が担持された半導体層とから構成される半導体電極と、この半導体電極と対向するように半導体層側に配置され、第二の導電性基板で構成される対極と、色素が担持された半導体層と対極との間に配置された電解質層と、この電解質層を密封する封止部と、導電性材料で形成され、第一の導電性基板および第二の導電性基板の少なくともいずれかに配設されて半導体電極と対極の少なくとも一方と電気的に接続されている集電体とを備えており、第一の導電性基板と第二の導電性基板のうち少なくとも一方は透光性であり、かつ、集電体は、色素が担持された半導体層および電解質層と接触しないように封止部内に埋め込まれて配設されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
上記第１の発明によれば、第一の導電性基板とこの第一の導電性基板の一方の面に配設されている色素が担持された半導体層とから構成される半導体電極と、この半導体電極と対向するように半導体層側に配置され、第二の導電性基板で構成される対極と、色素が担持された半導体層と対極との間に配置された電解質層と、この電解質層を密封する封止部と、導電性材料で形成され、第一の導電性基板および第二の導電性基板の少なくともいずれかに配設されて半導体電極と対極の少なくとも一方と電気的に接続されている集電体とを備えており、第一の導電性基板と第二の導電性基板のうち少なくとも一方は透光性であり、かつ、集電体は、色素が担持された半導体層および電解質層と接触しないように封止部の周囲を囲んで配設されていることにより、半導体層と集電体との距離が短くなって、光電変換素子が発電した電力を外部に取り出す際の抵抗損失が低減し、電力の出力低下を抑えることができる。したがって、太陽電池として用いた場合には高い太陽電池出力を得ることが可能となる。
【０００９】
上記第２の発明によれば、第一の導電性基板とこの第一の導電性基板の一方の面に配設されている色素が担持された半導体層とから構成される半導体電極と、この半導体電極と対向するように半導体層側に配置され、第二の導電性基板で構成される対極と、色素が担持された半導体層と対極との間に配置された電解質層と、この電解質層を密封する封止部と、導電性材料で形成され、第一の導電性基板および第二の導電性基板の少なくともいずれかに配設されて半導体電極と対極の少なくとも一方と電気的に接続されている集電体とを備えており、第一の導電性基板と第二の導電性基板のうち少なくとも一方は透光性であり、かつ、集電体は、色素が担持された半導体層および電解質層と接触しないように封止部内に埋め込まれて配設されていることにより、第１の発明と同様に、半導体層と集電体との距離が短くなって、光電変換素子が発電した電力を外部に取り出す際の抵抗損失が低減し、電力の出力低下を抑えることができる。さらに、集電体が封止部内に埋め込まれているため、集電体を配設する場所を封止部の周囲に確保する必要がなくなり、結果として、半導体層の面積を大きくすることができ、半導体層で受光して光電変換に寄与する領域の占める割合を大きくすることができる。このため、高い太陽電池出力を得ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本願発明は上記のとおりの特徴をもつものであるが、以下に図面に沿ってその実施の形態について説明する。
【００１１】
図１は本願発明の光電変換素子の一例を模式的に示しており、（ａ）は光電変換素子の断面図、（ｂ）は光電変換素子の平面図である。また、（ｃ）は半導体電極の平面図、（ｄ）は封止部の平面図、（ｅ）は対極の平面図である。本願発明の光電変換素子Ａは、半導体電極１と、この半導体電極１と対向する位置に配置された対極２と、電解質層３と、この電解質層３を密封する封止部４と、導電性材料で形成されている集電体５を備えている。半導体電極１は、第一の導電性基板１１と色素が担持された半導体層１２とで構成されており、色素が担持された半導体層１２は、第一の導電性基板１１の一方の面に配設されている。対極２は、第二の導電性基板２１で構成され、半導体層１２側の位置に配置されている。また、電解質層３は、色素が担持された半導体層１２と対極２との間に配置されており、封止部４は、半導体電極１と対極２間において、この電解質層３を内包するように電解質層３の周囲に形成され、電解質層３が外部に漏れないように密封している。
【００１２】
本願発明における集電体５は、図１のように第一の導電性基板１１と第二の導電性基板２１との両者に配設されていてもよいが、いずれか一方に配設されていてもよい。この集電体５は、色素が担持された半導体層１２および電解質層３と接触しないように封止部４の周囲を囲んでおり、かつ、半導体電極１と対極２の少なくとも一方と電気接続させて配設されている。これによって、集電体５との接触による電解質層３の被毒あるいは半導体層１２の変質に起因する太陽電池特性の低下を防いでいる。また、この集電体５は、従来、半導体電極１と対極２での集電時に存在していた抵抗損失の低減を図るものであるため、半導体電極１を構成している第一の導電性基板１１および対極２を構成している第二の導電性基板２１よりも導電性の高い材料であることが必要である。このような材料としては、たとえば、Ａｕ，Ｐｔ，Ａｇ，Ｃｕ，Ａｌ，Ｎｉ，Ｚｎ，ＴｉおよびＣｒからなる群から選ばれる少なくとも１種の金属、または上記群から選ばれる２種以上の金属からなる合金を例示することができる。また、以上の金属または合金の粒子とともに各種の樹脂を有機バインダーとしてペースト状にして用いてもよい。
【００１３】
また、形成する集電体５の幅や厚み等は、特に限定するものではないが、幅５０〜３００μｍ、厚み１０〜５０μｍ程度が好ましい。
【００１４】
本願発明における第一の導電性基板１１および第二の導電性基板２１の少なくとも一方は透光性を有することが必要である。このような透光性を有する導電性基板としては、たとえば、ガラス板または透光性を有するプラスチックフィルムなどの基板上にフッ素ドープ酸化錫やインジウム錫酸化物などがコーティングされたものを挙げることができる。図１の例では、第一の導電性基板１１および第二の導電性基板２１はいずれもガラス板を基板として用い、透光性を有する導電性基板としている。透光性を有していない導電性基板としては、たとえば、Ａｕ，Ｐｔ，Ａｇ，Ｃｕ，Ａｌ，Ｎｉ，Ｚｎ，ＴｉおよびＣｒからなる群から選ばれる少なくとも１種の金属、または上記群から選ばれる２種以上の金属からなる合金から構成される基板を用いることが考慮される。
【００１５】
色素が担持された半導体層１２は、透光性を有する第一の導電性基板１１または第二の導電性基板２１を通して受光して光電変換を行っており、半導体層１２の面積の大きさによって光電変換効果が変わる。本願発明では、第一の導電性基板１１と第二の導電性基板２１の少なくともいずれか一方に集電体５を配設して抵抗損失低減により太陽電池特性を向上させているため、その効果をより効果的に発現させるためには、半導体層１２の面積を特定の大きさに設定することが考慮される。たとえば、半導体層１２の面積としては、１ｃｍ２〜１１ｃｍ２の範囲であることが好ましい。１ｃｍ２未満の場合、第一の導電性基板１１および第二の導電性基板２１において、光電変換を行う面積に対して上記集電体５や封止部４など光電変換に寄与しない面積の割合が大きくなり、光電変換素子Ａ設置に要する面積に対する発電量が小さくなって実用上の有益性が少なくなるので好ましくない。１１ｃｍ２を超える場合には、半導体層１２の中央部分で発電した電気が集電体５にたどり着くまでの間の抵抗損失が大きく、集電体５による抵抗損失低減効果が十分に発揮されない場合があるので好ましくない。
【００１６】
以上の色素が担持された半導体層１２は、酸化物半導体微粒子で形成される層に光増感型色素が担持されているもので、酸化物半導体微粒子として、たとえば、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化錫などが挙げられる。また、光増感型色素は、無機色素および有機色素のいずれかであってもよく、たとえば、無機色素としては、ＲｕＬ2（Ｈ2Ｏ）2タイプのルテニウム−シス−ジアクア−ビピリジル錯体(ここで、Ｌは、４，４'−ジカルボキシル−２，２'−ビピリジン)、または、ルテニウム−トリス（ＲｕＬ3）、ルテニウム−ビス（ＲｕＬ2）、オスニウム−トリス（ＯｓＬ3）、オスニウム−ビス（ＯｓＬ2）タイプの遷移金属錯体、または亜鉛−テトラ（４−カルボキシフェニル）ポルフィリン、鉄−ヘキサシアニド錯体、フタロシアニンなど挙げられる。有機色素としては、９−フェニルキサンテン系色素、クマリン系色素、アクリジン系色素、トリフェニルメタン系色素、テトラフェニルメタン系色素、キノン系色素、アゾ系色素、インジゴ系色素、シアニン系色素、メロシアニン系色素、キサンテン系色素等などが挙げられる。なかでも、可視光域に広い吸収スペクトルを有する、ルテニウム−ビス（ＲｕＬ2）誘導体が、特に好ましい。
【００１７】
以上の半導体層１２は、たとえば、酸化物半導体微粒子をスプレー法、ディップコーティング法、スクリーン印刷法、スピンコート法、電着法などの方法で透光性導電性基板１１に塗布し、必要に応じて加熱・加圧処理して形成している。半導体層１２への色素の担持は、たとえば、水、アルコール、アセトニトリル、トルエンなどの溶媒に色素を溶かした溶液に半導体層を浸漬して、吸着させる方法が考慮される。
【００１８】
本願発明における電解質層３は、従来より知られている電解液から構成されている。電解液は、たとえば、ヨウ素、臭素、塩素、またはこれらの化合物、キノン／ヒドロキノン、フマル酸／コハク酸などを水あるいは有機溶媒に溶解したものを用いることができる。
【００１９】
封止部４の材料としては、たとえば、熱可塑性樹脂や熱硬化性樹脂とすることができる。熱可塑性樹脂としては、アイオノマー、ポリオレフィン、フッ素樹脂などを例示することができ、熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂やケイ素樹脂などを例示することができる。
【００２０】
本願発明における対極を構成する第二の導電性基板２１は、その表面に白金などの貴金属を担持させて触媒能を付与することが考慮される。
【００２１】
図２は、第二の導電性基板２１としてチタン板２１１を用いた例を示しており、（ａ）は光電変換素子Ａの断面図、（ｂ）はその平面図、（ｃ）〜（ｅ）はそれぞれ半導体電極１、封止部４、対極２の平面図である。また、この例では、集電体５が第一の導電性基板１１のみに配設されており、第二の導電性基板２１には配設されていない。
【００２２】
図３は、本願発明の光電変換素子Ａの別の実施形態を模式的に示した断面図である。この実施形態では、集電体５は、色素が担持された半導体層１２および電解質層３と接触しないように封止部４内に埋め込まれるようにして第一の導電性基板１１に配設されている。これによって、集電体５を配設する場所を封止部４の周囲に確保する必要がなくなり、結果として、半導体層１２の面積を大きくすることができ、半導体層１２で受光して光電変換に寄与する領域の占める割合を大きくすることができる。このため、この光電変換素子Ａを太陽電池として用いた場合には、より効果的に高い太陽電池出力を得る事が可能となる。なお、図３において２１は図１と同様の透光性を有する導電性基板である。また、この例は、集電体５が第一の導電性基板１１に配設されている例であるが、第二の導電性基板２１のみに配設されていてもよいし、第一の導電性基板１１と第二の導電性基板２１の両者に配設されていてもよい。
【００２３】
以下に、実施例に基づき本願発明をより具体的に説明する。
【実施例】
【００２４】
＜実施例１＞
実施例１では、図１と同様な構成の光電変換素子Ａを作製した。
【００２５】
まず、平均１次粒子径が２０ｎｍの高純度酸化チタン粉末をエチルセルロース中に分散させ、スクリーン印刷用の第１のペーストを作製した。一方、平均１次粒子径が２０ｎｍの高純度酸化チタン粉末と平均１次粒子径が４００ｎｍの高純度酸化チタン粉末とをエチルセルロース中に分散させ、スクリーン印刷用の第２のペーストを作製した。
【００２６】
次に、第一の導電性基板１１としての導電性ガラス基板（旭硝子製、一方の表面がフッ素ドープＳｎＯ２にてコーティングされることにより導電性が付与されたガラス基板、表面抵抗１０Ω／ｓｑ、厚さ１ｍｍ、１．６ｃｍ×３．６ｃｍ）上に、第１のペーストを１ｃｍ×３ｃｍ角に塗布、乾燥して、得られた乾燥物を５００℃で３０分間、空気中で焼成して、導電性ガラス基板上に厚さ１０μｍの多孔質酸化チタン膜を形成した。次に、多孔質酸化チタン膜上に第２のペーストを塗布、乾燥し、得られた乾燥物を５００℃で３０分間、空気中で焼成し、厚さ１０μｍの多孔質酸化チタン膜上にさらに厚さ４μｍの酸化チタン膜を形成して、半導体層１２（受光面積３ｃｍ２）を得た。
【００２７】
次に、半導体層１２を[Ｒｕ（４，４’−ジカルボキシル−２，２’−ビピリジン）２−（ＮＣＳ）２]で表される色素を含む溶液に浸漬した後、上記溶液から取り出し、室温で２４時間暗所にて静置して、半導体層１２に色素を吸着させ、半導体電極１を作製した。なお、溶液にはアセトニトリルとｔ−ブタノールとを容積比５０：５０で混合して得た混合溶媒に、上記色素を濃度が３×１０−４ｍｏｌ／ｄｍ３となるように溶解したものを用いた。
【００２８】
一方で、第二の導電性基板２１としての導電性ガラス基板（旭硝子製、一方の表面がフッ素ドープＳｎＯ２にてコーティングされることにより導電性が付与されたガラス基板、表面抵抗１０Ω／ｓｑ、厚さ１ｍｍ、１．６ｃｍ×３．６ｃｍ）に、５ｍｍｏｌ／ｄｍ３のＨ２ＰｔＣｌ６溶液（溶媒イソプロピルアルコール）を５×１０−６ｌ／ｃｍ２塗布した後、４５０℃で１５分間熱処理して、対極２を作製した。
【００２９】
また、色素を担持した酸化チタン膜を設けた半導体電極１と対極２の周囲には銀粒子からなる導電性ペーストにより幅１００μｍ、厚み２０μｍの集電体５を設けた。
【００３０】
また、色素を担持した酸化チタン膜を設けた半導体電極１と対極２との張り合わせは、封止部４としての厚さ２０μｍの熱可塑性樹脂（三井デュポンポリケミカル製アイオノマー樹脂「ハイミラン」）を１５０℃で６０秒間加熱して行った。
【００３１】
電解液の注入は対極２に設けた直径１ｍｍの注入口（図示なし）より減圧注入方式により行って、電解質層３を形成した。注入口部の封止は、厚さ５００μｍのカバーガラスを上記熱可塑性樹脂により固定させることで行った。また、セルの周囲部には、エポキシ系接着剤（アネルバ製「トールシール」）を塗布し、封止強度の向上を図った。
【００３２】
上記電解液としては、ガンマブチロラクトンに、メチルトリプロピルアンモニウムを０．５ｍｏｌ／ｄｍ３、ヨウ素を０．０５ｍｏｌ／ｄｍ３、ヨウ化リチウムを０．０５ｍｏｌ／ｄｍ３、Ｎ−メチルベンゾイミダゾールを０．５ｍｏｌ／ｄｍ３をそれぞれ溶解したものを用いた。
【００３３】
なお、本実施例で使用した試薬はすべて乾燥したものを用い、また、組み立て作業はドライルーム内で行い、組み立て時にセル内に水分が混入することを極力避けるように注意した。なお、光電変換素子Ａの特性評価時には半導体電極１側から光を照射した。
＜実施例２＞
対極２の第二の導電性基板２１に導電性ガラス基板ではなく、厚さ０．３ｍｍのチタン板２１１を用いた以外は、実施例１と同様にして、図２と同様な構成の光電変換素子Ａを作製した。なお、光電変換素子Ａの特性評価時には半導体電極１側から光を照射した。
＜実施例３＞
半導体電極１の第一の導電性基板１１に導電性ガラス基板ではなく、厚さ０．３ｍｍのチタン板を用いた以外は、実施例１と同様にして光電変換素子Ａを作製した。なお、光電変換素子Ａの特性評価時には対極２側から光を照射した。
＜実施例４＞
導電性ガラス基板サイズを１．６ｃｍ×３．６ｃｍから３．２ｃｍ×７．２ｃｍに、また、酸化チタン膜を１ｃｍ×３ｃｍから２ｃｍ×６ｃｍに変更した以外は実施例１と同様にして、光電変換素子Ａを作製した。なお、光電変換素子Ａの特性評価時には対極２側から光を照射した。
＜比較例＞
銀粒子からなる導電性ペーストにより集電体を作製しないこと以外は実施例１と同様にして光電変換素子を作製した。なお、光電変換素子の特性評価時には半導体電極側から光を照射した。
【００３４】
以上のようにして作製した光電変換素子の特性評価は、２００ｌｘ下での開放電圧（Ｖｏｃ）、短絡電流密度（Ｊｓｃ）、フィルファクター（ＦＦ）、最大出力（Ｐｍａｘ）を求めた。この結果を表１に示す。
【００３５】
【表１】
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表１の結果より、導電性材料で形成されている集電体が色素が担持された半導体層および電解質層と接触しないように封止部の周囲を囲んで透光性導電性基板に配設されている（実施例１〜４）ことで、集電体を設けていない比較例に比べて高いＦＦが得られ、Ｐｍａｘも高い値が得られた。また、実施例１〜３と実施例４を比較すると、半導体層の面積が１２ｃｍ２である実施例３の場合よりも、１ｃｍ２〜１１ｃｍ２の範囲である実施例１〜２の場合の方が、より顕著に効果が現れていることが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本願発明の光電変換素子の一例を示した模式図である。
【図２】導電性基板としてチタン板を用いた光電変換素子の模式図である。
【図３】本願発明の光電変換素子の別の一例を示した模式図である。
【図４】従来の光電変換素子を模式的に示した断面図である。
【符号の説明】
【００３７】
１  半導体電極
１１  第一の導電性基板
１２  半導体層
２  対極
２１  第二の導電性基板
２１１  チタン板
３  電解質層
４  封止部
５  集電体
６  基板
７  透明導電体層
Ａ  光電変換素子
【図１】
2007265796.tif 000004
【図２】
2007265796.tif 000005
【図３】
2007265796.tif 000006
【図４】
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